H7-04 CO₂ 跨临界系统工程要点

课程代码 H7-04 · 板块 H 材料、连接与制造工艺 / 冷却液与制冷剂工程 时长 约 4.0 小时（5 讲） 适合对象 系统工程师（高阶），以及做 CO₂ 空调／热泵系统与承压部件的人。走天然工质路线的团队必修。前提是你已经能独立判读一张 log p-h 图，并且做过至少一轮常规工质（R134a／R1234yf）的系统匹配。 前置 A1-04 工程热力学与蒸气压缩制冷循环（log p-h 图判读） 工程热力学与蒸气压缩制冷循环（log p-h 图判读）；A1-05 制冷循环性能指标：COP、制冷量、过热度与过冷度 制冷循环性能指标：COP、制冷量、过热度与过冷度；H7-03 制冷剂演进：R134a→R1234yf→R744→R290 制冷剂演进：R134a→R1234yf→R744→R290 本讲义定位 讲师授课蓝本 / 学员自学讲义，是本课题的完整展开版

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你手上的事	直接看	还要配
第一次接 CO₂ 项目，要先搞清「跨临界」到底改了什么	第 1 讲：三样东西同时消失，高压侧从被动量变成自由变量	A1-04 工程热力学与蒸气压缩制冷循环（log p-h 图判读）（p-h 图判读本体）· H7-03 制冷剂演进：R134a→R1234yf→R744→R290（为什么走到 R744 这条路）
要在仿真里扫一遍高压、给出「这个工况该压到多少」	第 2 讲 2.4：扫压规程与三个必须锁死的边界条件	第 2 讲 2.2（教学口径的 p_opt 与 COP 表，用来对账你自己的模型）· A1-07 热管理常用工质的热物性与查用（物性来源）
控制器要落地「怎么找 p_opt、怎么切模式」	第 2 讲 2.5 只给判别的物理依据	⛔ 控制实现整体在 N3-01 CO₂ 跨临界热泵与低温高效采暖：设定值生成算法、多执行器协调、时标解耦、保护让路分级、标定量与环境舱流程
气冷器面积／水路温度定不下来，不知道该往哪边使劲	第 2 讲 2.6：出口温度这一命门，与灵敏度的定量对照	G2-09 直接式热泵室外换热器（冷凝/蒸发双向工况）部件设计（室外换热器部件设计）· G2-07 换热器芯体强度、耐压与热疲劳设计（芯体耐压）
要判「加 IHX 还是加喷射器，各能救回多少」	第 3 讲 3.1~3.3：先算可回收上限，再看两条路各拿走多少	G2-08 内部换热器（IHX/回热器）本体：结构形式、效能定量与三笔代价核算（IHX 本体与三笔代价）· B3-02 制冷剂回路拓扑：并联蒸发、经济器、闪蒸与喷射器（喷射器与闪蒸拓扑本体）
要给部件供应商发一份 CO₂ 的承压要求	第 4 讲：把高压侧写成载荷谱而不是一个数，附交付表	G2-07 换热器芯体强度、耐压与热疲劳设计（芯体耐压口径）· G11-03 O 型圈、密封面与静/动密封设计（密封面）· G1-06 CO₂ 与 R290 压缩机的特殊设计要点（压缩机）· L1-04 振动、热冲击与耐久台架试验(压力脉冲耐久试验)
泄压阀整定值定不下来，怕车停一夜就误开	第 5 讲 5.2：整定窗口的下界从停机平衡压力包络来	G4-05 单向阀、截止阀与电磁阀应用（件级型式与排放能力核算）· G2-07 换热器芯体强度、耐压与热疲劳设计（承压等级）
充注量按老办法调不出来，看高压怎么都不对	第 5 讲 5.3：判读量变了，看的不再是过冷度和高压	G10-03 系统充注、排气与最低液位设计（充注与最低液位方法本体）· G10-01 储液干燥器与气液分离器设计（储液件本体）

⛔ 本课不覆盖：控制实现的全部内容——p_opt 设定值生成算法、多执行器协调、寻优环与过热度环的时标解耦、寻优与高压保护冲突时的让路分级、跨临界专有标定量清单与环境舱流程 → N3-01 CO₂ 跨临界热泵与低温高效采暖（本课只讲循环侧「为什么存在 p_opt」与怎么扫出来）；低温采暖的容量优势、q_v 衰减对比与热泵路线选型 → N3-01 CO₂ 跨临界热泵与低温高效采暖；可燃性以外的天然工质安全体系与泄漏浓度限值 → N3-02 天然工质（R290/R744）系统与安全；㶲损与熵产的定量定义与部件级分解方法 → A5-07 热力学第二定律与㶲分析：熵产、三类不可逆的定量与部件级㶲损分解；IHX 本体结构、压降分配与效能标定 → G2-08 内部换热器（IHX/回热器）本体：结构形式、效能定量与三笔代价核算；喷射器与闪蒸拓扑的回路本体 → B3-02 制冷剂回路拓扑：并联蒸发、经济器、闪蒸与喷射器；压缩机型线、轴承与油路 → G1-06 CO₂ 与 R290 压缩机的特殊设计要点 与 G1-05 压缩机润滑、可靠性与湿压缩防护；换热器芯体的强度计算与耐压档位口径 → G2-07 换热器芯体强度、耐压与热疲劳设计 与 J5-01 换热器/冷板结构强度与耐压 FEA；O 圈材料与密封面几何 → G11-03 O 型圈、密封面与静/动密封设计；泄压件型式、整定/回座定值与排放能力核算 → G4-05 单向阀、截止阀与电磁阀应用；储液件定容算法与充注方法本体 → G10-01 储液干燥器与气液分离器设计 与 G10-03 系统充注、排气与最低液位设计；压力脉冲耐久试验规范 → L1-04 振动、热冲击与耐久台架试验，静强度爆破与泄漏试验 → L1-03 密封、耐压、爆破与泄漏试验；标准体系与合规路径 → M4-01 热管理相关标准（GB/ISO/SAE）体系 与 H7-06 工质环保法规（GWP/ODP）与替代路线。

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引言：三个字改掉的是系统的自由度，不是参数

拿到一份 CO₂ 系统的任务书时，最容易犯的错误是把它当成「换一种工质、参数重标一遍」。这个想法在纸面上很难被驳倒——四大件还是那四大件，循环还是压缩、排热、节流、蒸发四段。

但「跨临界」这三个字改掉的不是参数，是系统的自由度个数。

常规工质的高压侧有一条饱和线把压力和温度绑在一起：给定冷凝温度，压力就定了；你只能被动接受环境温度给你的那个高压。CO₂ 的临界温度只有约 31℃，比车上绝大多数排热场景的目标温度还低 ⇒ 排热过程整段在临界点以上，没有饱和线。压力和温度就此松绑，高压变成一个你必须自己选的量。

这一条推出去，是本课全部内容：

• 多出来的自由度必须有人管 ⇒ 第 2 讲：为什么存在一个最优值、怎么把它扫出来、什么时候不该扫；
• 高压选得高，节流损失也跟着大 ⇒ 第 3 讲：能救回多少、用哪条硬件路径救；
• 高压是主动顶上去的、而且顶得很高 ⇒ 第 4 讲：部件要按什么载荷设计；
• 停机之后压力不归零、而是落到一个仍然很高的平衡值 ⇒ 第 5 讲：泄压整定与充注判读整套判据换了主语。

钉子①：把气冷器当冷凝器画，一开始就错

排热端的名字从冷凝器换成气体冷却器（gas cooler），不是叫法讲究。它意味着三样东西同时消失：两相平台没了、冷凝温度没了、过冷度没了。你在常规系统里用来判断「这台机器现在正不正常」的那一组量，在跨临界侧一个都读不到。1.2 会把这三样逐条拆开。

⚠ 但这里有一条必须同时说清的边界，否则会走到另一个极端：「CO₂ 系统＝跨临界」这句话本身是错的。跨临界成立的条件是排热温度高于临界温度。低环温、低排热温度工况下，CO₂ 系统的高压侧确实会冷凝，回落成一台普普通通的亚临界机器。⇒ 控制器与设计判据都必须做两个分支，2.5 讲这一层。

钉子②：最优高压不是「调参技巧」，它是被物理逼出来的

高压往上提，有两个方向相反的效应同时发生：制冷量涨（快）、压缩功涨（慢，但一直涨）。一个快的正效应除以一个慢的负效应，商必然先升后降——极大值就在中间某处。⇒ p_opt 的存在性是数学结论，不是经验。而它的位置随工况跑，所以必须主动控。2.1 用一张图把这件事讲完。

钉子③：高压侧的「压力」在部件那边不是一个数

这是本课最容易被系统工程师漏掉的一层。你在循环表里写下「高压 10 MPa」，交给换热器和密封件的人，他们收到的其实应该是一条载荷谱：稳态运行值、开停机与模式切换的冲击峰、以及一个和运行完全无关的停机热浸压力。三者的最大值不在同一个工况上，而且停机那一段常常是低压侧部件真正的设计工况——因为停机后全系统均压，低压侧被拉到和高压侧同一个压力。第 4、5 讲专门处理这一层，它也是本课与 N3-01 CO₂ 跨临界热泵与低温高效采暖 分工的那一半：控制侧怎么抑制冲击归 N3-01，部件承接什么载荷归本课。

本课的数字口径

本课全程按三类处理数字，每一处都会当场标明：

• 物性值与临界参数：给准确值，并写出来源。本课的 CO₂ 物性一律由 CoolProp 8.0.0 计算，可用 REFPROP 或 NIST Webbook 复核；
• 循环计算结果：全部是教学口径的算例——固定假设写在 2.2 的口径框里（等熵效率、过热度这些是教学假设值，⛔ 不对应任何平台），只用于讲机理、讲趋势、以及给你一个能对账自己模型的参照；
• 与平台强相关的量（设计压力、泄压整定值、逼近温差、充注密度、冲击幅值、脉冲循环数……）：给典型参考区间与常见值锚点，并写出你自己怎么拿到本项目那个真数的路径。

⚠ 本课出现的一切具体数字都是物性值、教学口径计算结果或典型参考值，⛔ 不是验收依据，必须以你本项目的实测、供应商规格书与体系文件为准。标准的版次一律按现行版本目录确认，本课不钉死年份，也不复述任何未经你自己核对原文的条款内容。

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第 1 讲　跨临界的本质：临界点、气体冷却器与解耦的高压侧

1.1 一条物性事实：临界点落在车用排热温区的里面

CO₂（R744）的临界点是：

量	值	说明
临界温度 T_crit	30.98℃	物性值（CoolProp 8.0.0，可用 REFPROP/NIST Webbook 复核）
临界压力 p_crit	7.377 MPa	同上
三相点	−56.56℃ / 0.518 MPa	蒸发温度不能逼近的下界，低于它会结干冰

对照一下常规工质就知道这一条有多特殊：R134a 与 R1234yf 的临界温度都在 90℃ 以上，车上任何排热工况都离它很远 ⇒ 高压侧永远是亚临界冷凝。而 CO₂ 的 30.98℃，比乘用车空调在夏天要面对的冷凝介质温度（进风 35~45℃ 是常态）低。

⇒ 结论只有一句，但它是全课的地基：CO₂ 走跨临界不是一个设计选择，是临界温度落在车用排热温区里面的直接后果。 你没有「要不要跨临界」这个选项，只有「什么时候跨、什么时候不跨」。

⚠ 顺手把主语说对：判据的主语是排热温度，不是工质。同一台 CO₂ 机器，在 −10℃ 环境下给电池加热时，排热温度可能只有 25℃ ⇒ 它此刻是一台亚临界机器。1.2 之后所有关于「气体冷却器」的话，都默认前提是「此刻排热温度高于 T_crit」。

1.2 气体冷却器不是冷凝器：三样东西同时消失

超临界区里没有相变，工质从高温到低温是连续单相显热放热。这一句话推出三个后果，逐条数：

① 两相平台没了。 冷凝器的工质侧温度曲线是「先陡降一小段过热、然后一条长长的水平平台、最后一小段过冷」。气体冷却器没有平台，它是一条从入口一路斜下来的曲线。

⇒ 这一条既是好消息也是坏消息。好消息是：与逆流的水侧／风侧斜线贴合更好，在大温升加热场景（把冷却液从 20℃ 加热到 60℃ 这类）里换热温差全程均匀、不可逆损失小——这是 CO₂ 热泵低温采暖优势的来源之一（属主是 N3-01 CO₂ 跨临界热泵与低温高效采暖，本课不重复）。坏消息在 ③。

② 冷凝温度没了。 亚临界系统里，「冷凝温度」是一个万能的中间变量：测一个高压就知道冷凝温度，进而知道与环境的温差、知道换热器堵没堵。跨临界侧没有这个量——超临界单相区里 p 与 T 是两个独立坐标，你必须同时测压力和温度才能确定状态。

⇒ 工程后果是硬的：气体冷却器出口必须同时布压力和温度两个测点，只留一个都读不出状态。（传感器选型与 P-T 联测的方法本体在 G12-02 压力—温度联测与冷媒状态感知。）

③ 过冷度没了。 过冷度的定义是「冷凝饱和温度 − 液体实际温度」，而这一侧没有饱和温度 ⇒ 过冷度在跨临界侧根本不存在，不是「读不准」，是没有定义。

⇒ 这一条比前两条更容易出事，因为过冷度是常规系统里判充注量、判膨胀阀开度、判系统健康的主力判据。整套判据在跨临界侧全部失效，必须换掉。第 5 讲 5.3 专门处理充注这一支。

⚠ 与本课程体系里其它课的口径对齐：A1-05 制冷循环性能指标：COP、制冷量、过热度与过冷度 与 N3-01 CO₂ 跨临界热泵与低温高效采暖 都把过冷度记作 SC，定义相同；本课沿用同一个符号，并且只在系统回落亚临界分支时使用它。跨临界分支一律用 (p_h, T_gc,out) 这一对量描述高压侧出口状态。

1.3 高压侧解耦：从被动跟随，变成一个必须自己选的量

把 1.2 的 ② 再往前推一步，就是本课的核心机制。

亚临界侧：一个自由度。 排热端的压力与温度被饱和线绑死 ⇒ 环境温度定了、换热器面积定了、风量定了，冷凝温度就定了，冷凝压力跟着定了。系统工程师在高压侧没有可拧的旋钮——高压是一个结果，不是一个输入。

跨临界侧：两个自由度。 超临界单相区里 p 与 T 相互独立 ⇒ 同一个气体冷却器出口温度，可以配任何一个高压。压力由系统里的质量分布决定：把冷媒往高压侧多压一点，高压就上去；节流阀开大一点，高压就下来。而出口温度由换热决定：冷却介质进口温度加上逼近温差。

⇒ 两件事被彻底分开了：压力由节流侧的开度（或专门的高压控制阀／背压阀）定，温度由换热侧定。 这是跨临界系统与所有常规系统在架构上最大的一处不同，也是后面所有讨论的出发点。

⚠ 这里立刻要防一个方向反的误解，它在项目上真的会出现：「想让气体冷却器出口温度更低，就把高压提上去」——⛔ 这是错的。出口温度的下限由冷却介质进口温度加逼近温差决定，与高压无关。提高压只会让同一个出口温度对应更低的比焓（这是 2.1 那个正效应），⛔ 不会把出口温度本身拉低。想降出口温度只有两条路：把进水/进风温度做低，或把换热面积做大。2.6 会把这条因果链画成图。

⇒ 一句可以直接用于评审的判据：在跨临界系统的任何一份工况表里，高压侧只写一个压力或只写一个温度，都是不完整的——必须成对出现。看到「气冷器出口 40℃」而没有配压力，那份数据无法确定状态，也无法复算 COP。

1.4 p-h 图上的那个「框」：节流损失为什么更大

图1 里跨临界那个框看起来比亚临界那个「瘦长」，而且节流那条竖线的起点更靠右。把它算成数：

教学口径（本课全课统一，下同）：蒸发温度 5℃、吸气过热 SH = 5 K、压缩机等熵效率 η_is = 0.65（教学假设值，⛔ 不对应任何平台）、环境参考温度取 25℃ 用于㶲损计算。CO₂ 取气体冷却器出口 40℃ 并运行在该工况的最优高压；对照组 R1234yf 与 R134a 取冷凝 50℃、过冷 5 K。物性来源 CoolProp 8.0.0。

工质与工况	压缩功 w	节流㶲损	占压缩功	节流出口干度 x₄	高低压差 Δp
CO₂ 跨临界（10.00 MPa / 出口 40℃）	58.6 kJ/kg	14.5 kJ/kg	24.7%	0.468	6.03 MPa
R1234yf（冷凝 50℃）	35.1 kJ/kg	4.9 kJ/kg	13.9%	0.349	0.93 MPa
R134a（冷凝 50℃）	43.6 kJ/kg	4.9 kJ/kg	11.2%	0.293	0.97 MPa

⇒ 三句话，⛔ 别说成一句。

① 相对占比确实更高，但不是天壤之别：24.7% 对 11~14%，大约高一倍。⛔ 别把它说成「跨临界节流损失特别巨大」——那种说法经不起复算。

② 绝对量的差距更大：14.5 对 4.9 kJ/kg，约 3 倍。这才是「值得花硬件去救」的真正理由。

③ 驱动压差的差距最大：6.03 对 0.93 MPa，约 6.5 倍。⇒ 这是喷射器在 CO₂ 系统上收益显著、而在常规工质上常常不划算的物理原因——喷射器靠的就是这段压差去做功。3.3 会接着讲。

⚠ 顺手纠正一条流传很广的说法：「跨临界的闪发气量特别大」——在数上并不成立。上表里 CO₂ 的节流出口干度 0.468，R1234yf 是 0.349，确实更高，但远不是量级差。⇒ 论证跨临界节流损失时⛔ 不要用闪发气量，要用㶲损绝对量与驱动压差。

⚠ 口径提醒：㶲损与熵产的严格定义、部件级㶲损分解的方法本体属于 A5-07 热力学第二定律与㶲分析：熵产、三类不可逆的定量与部件级㶲损分解，本课只借它的结果做对比，⛔ 不重讲方法。

本讲小结：CO₂ 的临界温度 30.98℃ 落在车用排热温区里面，所以排热经常在临界点以上进行——这不是选择，是物性后果。跨临界侧同时失去两相平台、冷凝温度与过冷度三样东西，描述高压侧出口状态必须用 (p_h, T_gc,out) 这一对量，因此气体冷却器出口必须同时布压力与温度测点。最重要的一条是自由度变了：高压从「被换热平衡算出来的结果」变成「由质量分布决定、必须主动选的输入」，而出口温度仍由换热定 ⇒ 两条链互不相交，⛔ 不能用提高压去降出口温度。节流损失确实更大，但要按「绝对量约 3 倍、驱动压差约 6.5 倍」来说，⛔ 不要用占比或闪发气量夸大。